635_Nosov_V.I._Optimizatsija_parametrov_setej__

обработка сигнала на приеме. По этим причинам, как показано в [2.2], АМ ОБП при стереовещании в ОВЧ диапазоне уже в ближайшем будущем составит конкуренцию как ЧМ, так и цифровому радиовещанию.

Однако, при использовании АМ ОБП в отличии от ЧМ и цифрового вещания возникает проблема линейности амплитудной характеристики передатчика. Эта проблема в настоящее время успешно решается путем использования линеаризаторов и так называемого метода «back-off» в передатчиках цифровых РРЛ синхронной цифровой иерархии с многопозиционной квадратурной амплитудной модуляцией. При МКАМ на выходе модулятора изменяется как фаза, так и амплитуда сигнала [2.3].

В [2.4] описывается разработанная в Японии и США радиорелейная аппаратура большой емкости (6000 каналов) с использованием передачи сигналов на одной боковой полосе с подавленной несущей (АМ–ОБП). Необходимо отметить, что в настоящее время аналоговая радиорелейная аппаратура выпускается исключительно с использованием частотной модуляции. Здесь отмечается, что при АМ–ОБП получается более высокая эффективность использования спектра, чем в системах с ЧМ. Это достигается в результате выполнения строгих требований к линейности амплитудных характеристик передатчика при приемлемых интермодуляционных характеристиках, что достигается использованием линеаризатора, основанного на методе предыскажений. Более того, в настоящее время уже появились разработки приемопередатчика для работы с АМ–ОБП в диапазоне ОВЧ [2.5].

Для оптимального планирования непрерывно развивающейся сети звукового вещания необходимо учитывать влияния передатчиков соседних станций на качество приема звуковых программ. Совместное вещание программ с обеспечением качественного приема, обусловленного уменьшением влияния со стороны других радиопередающих станций определяет электромагнитную совместимость в сетях радиовещания.

Основным критерием, определяющим разработку системы вещания, обеспечивающей прием с заданным качеством, является параметр защитное отношения Аз. Защитным отношением Аз по радиочастоте называют минимально допустимое отношение мощности полезного сигнала к мощности сигнала помехи при заданной частотной расстройке, которое обеспечивает прием звуковой программы с заданным качеством. Требуемое качество приема определяется классом приемника.

Кроме защитного отношения при планировании сети радиовещания нужно знать минимально необходимую напряженность поля в точке расположения приемника – это такое минимальное значение напряженности поля которое необходимо для обеспечения требуемого качества в определенных условиях приема при наличии естественных и индустриальных помех, но при отсутствии помех от других передатчиков. Таким образом, для осуществления возможности оптимального планирования станций с АМ–ОБП необходимо определить защитные отношения и минимально необходимую напряженность поля для указанного вида модуляции.

62

Для решения поставленной задачи необходимо разработать математическую модель, определяющую зависимость проникновения помех от соседних радиосредств от разноса частот, которая должна учитывать технические характеристики приемо-передающей аппаратуры. В 2.8разработана математическая модель для определения относительной величины защитного отношения при использовании АМ ОБП монофонического звукового радиовещания с верхней частотой Fв = 4.5 кГц в ВЧ диапазоне. В данной работе разрабатывается математическая модель для определения относительных защитных отношений, минимальной напряженности поля, защитного отношения при совпадающих частотах при использовании АМ ОБП стереофонического звукового радиовещания с Fв = 15 кГц в ОВЧ диапазоне.

2.1. Объективная оценка защитного отношения

При субъективном методе оценка качества приема производится с помощью группы слушателей и, следовательно, связана с субъективным восприятием. Такой метод весьма сложен для внедрения так как требует наличия приемопередающей аппаратуры и приводит к очень противоречивым результатам. Объективная оценка может быть проведена с помощью измерения мощностей полезного сигнала и помехи с использованием псофометрического взвешивающего фильтра. Этот метод может использоваться лишь в существующих на практике системах и не подходит в том случае, когда предлагается найти оптимальные значения величин параметров системы, например для наилучшего использования полосы частот с наилучшим качеством передачи.

Защитное отношение представляет собой функцию, зависящую от расстройки частот F между несущими частотами полезного и мешающего сигналов. При сложных видах модуляции, таких как ЧМ, поочередное измерение мощностей полезного и мешающего сигналов не дает точной оценки мешающего действия помехи, так как при частотной модуляции воздействие помехи зависит от наличия полезного сигнала. То есть, помеха приводит к возникновению паразитной девиации частоты [2.1]. Соответственно объективный метод измерения значительно усложняется. При использовании АМ измерение мощностей полезного и мешающего сигналов можно проводить поочередно, измеряя каждое значение взвешивающим измерителем мощности. Структурная схема измерения приведена на рис.2.1.

При Fнес соответствующей частоте канала приема измеряется уровень полезного сигнала. Затем при Fнес смещенной на F относительно канала приема

63

Чтобы рассчитать защитное отношение, математической моделью имитируют физический процесс, на котором основан метод объективного измерения. Предположим, что передатчик имеет на своем выходе сигнал передачи с некоторым энергетическим спектром Fs (рис.2.2). Спектр сигнала расположен по одну сторону от несущей в случае, когда используется ОБП.

Спектр амплитуд

Рис. 2.2. Вид спектрального распределения амплитуд сигнала передатчика и частотной характеристики приемника.

В данном случае спектр сигнала ВЧ соответствует остатку частичноподавленной несущей Fs0 и спектру сигнала НЧ перенесенному на Fs0 вверх. Fs(f) представлен функцией, зависящей от частоты f. Математическая модель приемника Fr(f) представляет собой амплитудно-частотную характеристику приемного тракта. Таким образом, перемножение указанных характеристик даст спектр сигнала на выходе приемника. Процесс детектирования АМ-ОБП колебания может быть смоделирован переносом спектра сигнала вниз по оси частот. Для того, чтобы получить общее выражение характеристики приемника в данной модели осуществляется перенос спектра характеристик всех фильтров, использованных в приемнике, и псофометрического фильтра на Fr0 вверх по оси частот. Для упрощения математической модели будем использовать виртуальную ось частот f ' = f -Fr0. При этом, все характеристики, используемые в дальнейшем для описания модели, будут центрированы относительно несущей частоты приема. Для того, чтобы полученное защитное отношение учитывало субъективное восприятие мешающего сигнала, функция Fr должна включать в себя псофометрическую характеристику.

Мощность сигнала, для которого известна характеристика спектрального распределения плотности амплитуд, может быть получена так

65

Таким образом, спектр излучения Fs(f) производит в согласованном приемнике настроенном на канал, отличающийся по частоте от несущего колебания полезного канала Fr на F, следующую мощность

где f1, f2 - пределы интегрирования, определяются ориентировочно частотами f, при которых значения функций Fs(f) и Fr(f) пренебрежимо малы. Подставляя F=0 в (2.3), получим значение мощности полезного сигнала на выходе приемника для нулевой расстройки

где Pn - мощность полезного сигнала. Согласно определению из ( 2.2 – 2.4 ) получаем

Решение (2.3) может быть выполнено на ЭВМ численным методом при использовании шага интегрирования Beff = 100 Гц. Данная величина шага достаточна для получения приемлемой точности расчета, так как позволяет получить результат по достаточно большому количеству точек, которое определяется как (f2-f1) / Beff. Интегрирование численным методом, согласно (2.3), может быть описано следующей формулой

2.3.Определение спектра сигнала, излучаемого передатчиком.

Вобщем виде спектр излучения состоит из нескольких компонент, определяющих его спектральный состав

66

где S0(f) - функция несущей частоты;

Sбп(f) - функция, описывающая сигнал боковой полосы на выходе передатчика;

am2 - относительный уровень плотности максимальной спектральной мощности в боковой полосе по отношению к пиковой мощности несущей. Эта величина является масштабным коэффициентом, необходимым для получения правильных соотношений между мощностью несущей и мощностью боковой полосы;

Fвн(f) - функция, описывающая внеполосное излучение передатчика.

2.3.1. Функция несущей частоты

Как уже упоминалось выше, несущая частота в передатчике ОБП подавляется. Но, при отсутствии несущей частоты, возникает значительная трудность с восстановлением сигнала АМ-ОБП на приеме. Эта трудность связана с необходимостью обеспечения достаточно точного значения частоты гетеродина на приеме, расстройка которого не должна превышать единицы герц при частоте в десятки мГц [2.7]. Поэтому для восстановления несущей на приеме используют либо добавленный в спектр передачи пилот-тон, либо остаток подавленной несущей. Первый случай удобно использовать при большом количестве каналов передаваемых с одного пункта, а второй случай имеет более простую реализацию.

Неиспользованная боковая в передатчике подавляется на величину 40-70 дБ, что позволяет не учитывать ее при расчете. Для обеспечения такой величины подавления перенос спектра НЧ сигнала в ВЧ область обычно осуществляется путем многократного частотного преобразования. В качестве пилот-тона чаще всего используется остаток несущей частоты подавленный на величину порядка 90% [2.7]. Структурная схема выделения ОБП на приеме показана на рис.2.3.

КСС

Ф.С.С. Б.М. Ф.Н.Ч.

Рис. 2.3 Схема выделения сигнала КСС на приеме при модуляции с ОБП.

Таким образом функция, описывающая остаток несущей, может быть записана следующим образом:

67

где T - степень подавления уровня несущей частоты.

Для систем АМ-ОБП величина T выбирается порядка 12 дБ [2.8]. Данная функция дает значение 10(-T/20) только при f = 0, т.е. при частоте, соответ-

ствующей несущей. При f, отличающейся от нуля значение данной функции стремится к нулю. Вычисленная с помощью (2.6) мощность несущего колебания будет равна Beff·10-T/20 при частично подавленной несущей, так как при интегрировании численным методом функция (2.8) даст ненулевое значение для всего интервала частот от 0 до Beff (рис. 2.4).

2.3.2 Спектр сигнала боковой полосы

Спектральная плотность амплитуд

Рис.2.4. Функция несущей.

Спектр сигнала боковой полосы можно получить, зная спектр комплексного стереосигнала и АЧХ выходного фильтра передатчика

где Sксс(f) - спектр комплексного стереосигнала; Fп(f) - АЧХ выходного фильтра передатчика.

Структура комплексного стереосигнала. Как указывалось выше, в нашей стране используется метод образования стереосигнала с помощью полярной модуляции. При этом, комплексный стереосигнал (КСС) образуется следующим образом: сигналы правого (SA) и левого (SB) каналов суммируются, и полученный суммарный сигнал SM располагается в нижней части спек-

68

тра КСС без преобразований. Это обеспечивает совместимость системы стереовещания с системами моновещания. Далее, из сигналов SA и SB образуется разностный сигнал SS = SA - SB. Сигналом SS модулируют поднесущую частоту, равную 31250 Гц. Для уменьшения мощности, которая тратится на поднесущую не содержащую полезной информации, на выходе ставится режекторный контур, частично подавляющий поднесущую частоту. Кроме того, оба канала подвергаются предварительной коррекции (ПК) спектра, получившей название предыскажения, с целью получения более равномерного распределения отношения сигнал/шум в спектре сигнала. Структурная схема получения КСС приведена на рис. 2.5.

fпн=31250 Гц

Рис. 2.5. Структурная схема формирования комплексного стереосигнала Sксс.

2.3.3 Спектр сигнала звукового вещания

Сигнал звукового вещания представляет собой случайный процесс, характеристики которого соответствуют характеристикам нормализованного средневзвешенного шума. Распределение мгновенных значений амплитуд звукового сигнала может быть описано распределением Гаусса. Максимальный уровень спектральной плотности амплитуд сигнала расположен в области 200 Гц. Форма распределения спектральной плотности амплитуд звукового сигнала сильно зависит от характера передачи и может варьироваться. Проведенные исследования на большом количестве разнообразных программ позволили получить форму обобщенного амплитудного спектра радиовещательного сигнала (кривая 1 на рис. 2.6) [2.9]. Усредненный спектр может быть аппроксимирован математическим выражением, как это сделано в [2.8]:

Рис. 2.6. Обобщенный амплитудный спектр радиовещательного сигнала

Предыскажающий контур (ПК) представляет собой RC цепь, которая обеспечивает перераспределение энергии сигнала в спектре с целью уменьшения средней подверженности сигнала помехам. Частотная характеристика ПК

где - постоянная времени RC цепи. В нашей стране и в Европейских странах эта величина стандартизирована и равна 50 мкс, а в США она выбрана равной 75 мкс.

Математическая модель комплексного cтереосигнала. Как известно,

для получения комплексного стереосигнала разностный сигнал Ss(f) модулирует по амплитуде сигнал поднесущей частоты Fпн = 31.25 кГц. При амплитудной модуляции в спектре сигнала появляется несущая частота, а также две боковых полосы частот. Спектр сигнала поднесущей частоты описывается дельта функцией

70

Sпн(f) = (Fпн).

Спектр

-30

2

F,кГ

-40

Рис. 2.7. Спектр НЧ сигнала с ПК (кривая 1), без ПК (2), характеристика ПК (3).

Для описания дельта-функции можно применить подход аналогичный (2.8). Таким образом получаем

Данная функция дает значение 1 только при f = Fпн. Учитывая, что решение в дальнейшем будет производиться численным методом с шагом интегрирования Beff = 100 Гц, и что, что Fпн = 31.25 кГц, вычисление значения указанной выше функции будет производиться в точках отличающихся от значения поднесущей частоты на ±50 Гц. Таким образом, следует выбрать значение Fпн = 31.2 кГц. В противном случае, при интегрировании с шагом 100 Гц значение несущей в точке 31250 Гц будет пропущено. Общий вид спектральной функции распределения мощности комплексного стереосигнала приобретает следующий вид

Sксс ( f ) amM [Sпн ( f ) ams Ss ( f )] пдпн (| f Fпн |) , (2.13)

71